Надежность электроснабжения потребителей

     Надежность любой системы – это ее свойство выполнять заданные функции в заданном объеме и требуемого качества при определенных условиях функционирования. Применительно к СЭС одной из основных функций является бесперебойное снабжение потребителей электроэнергией в необходимом количестве и установленного качества. Надежность является сложным комплексным свойством и в зависимости от назначения объекта и условий функционирования может включать ряд единичных свойств (отдельно или в сочетании), основными из которых являются: сохраняемость, долговечность, безотказность, ремонтопригодность, режимная управляемость, устойчивость и живучесть.       Для характеристики надежности объектов энергетики определяются основные показатели надежности: параметр потока отказов, время восстановления, и вспомогательные – частота ремонтов и их продолжительность. Показатели надежности определяются для узла нагрузки главной схемы СЭС с учетом режима работы СЭС (нормальный, аварийный, послеаварийный).       Для определения оптимального уровня надежности электроснабжения потребителей необходимо знать величину ожидаемого годового ущерба при перерывах электроснабжения, который определяется особенностями технологического процесса с учетом частоты и длительности перерывов электроснабжения.       Основные способы повышения надежности СЭС:       - повышение надежности источников питания;       - повышение надежности отдельных элементов СЭС;       - уменьшение числа последовательно включенных элементов в СЭС;       - усовершенствование релейной защиты и автоматики СЭС;       - совершенствование системы технического обслуживания и ремонта электроустановок;       - повышение квалификации обслуживающего персонала.       Таким образом, повышение надежности СЭС является комплексной задачей, которая может быть решена на основе технологического и экономического анализа режимов СЭС, условий ее функционирования. 

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности функционирования системы электроснабжения. Способ используется в системе электроснабжения 6(10)-0,4 кВ, содержащей понижающий трансформатор 6(10)/0,4 кВ, трехфазные воздушные линии с нулевым проводом 0,4 кВ, микроконтроллер, датчики тока, установленные на шинах низкого напряжения и на проводах, соединяющих нагрузки с воздушной линией электропередач. Управление подключением и отключением однофазных нагрузок осуществляется микроконтроллером. В качестве коммутирующих элементов используются модули IGBT-транзисторов. Момент времени для подачи импульса управления с микроконтроллера определяется из условия равенства нулю тока на отходящих кабелях нагрузок при размыкании транзисторов и на шинах понижающего трансформатора при замыкании транзисторов. 1 ил.

Повышение надежности систем электроснабжения

 

Способ относится к области электротехники, в частности к электроснабжению, и может быть использовано в распределительных сетях 6(10)-0,4 кВ, содержащих питающую трехфазную линию 6(10) кВ, понижающий трансформатор 6(10) кВ-0,4 кВ и трехфазную линию 0,4 кВ с нулевым проводом, к которой подключены однофазные нагрузки.

Известен способ снижения потерь электроэнергии в распределительных сетях 6(10)-0,4 кВ заключающийся в том, что сигналы переменного тока с датчиков тока, установленных на однофазных нагрузках и шинах 0,4 кВ понижающего трансформатора, поступают на аналоговые входы микроконтроллера, осуществляющего управление выключателями, которые позволяют подключать любую из однофазных нагрузок к любой фазе трехфазной линии 0,4 кВ. Включение однофазных нагрузок линии электропередач осуществляется исходя из условия минимизации коэффициента несимметрии тока в линии электропередач 0,4 кВ, при этом, если значение тока в фазах линии электропередач 0,4 кВ отличается от среднего значения тока, то часть нагрузок с фаз, имеющих ток больше среднего, отключается от них и включается на фазы, имеющие ток меньше среднего, а конкретные нагрузки, подлежащие переключению, определяются с помощью микроконтроллера из условия близости суммарных токов в фазах линий 0,4 кВ их среднему значению.

Недостатком данного способа является низкая надежность из-за:

- наличия выключателей, неспособных обеспечить быстрое включение и отключение нагрузок фаз;

- больших значений токов при включении и отключении нагрузок по причине невозможности точного определения момента включения и отключения нагрузок от линии 0,4 кВ;

- невозможности контроля состояния выключателей в распределительных энергосистемах 0,4 кВ, приводящей к одновременному включению выключателей разных фаз на однофазную нагрузку - возникновению междуфазного короткого замыкания.

Задачей заявляемого способа является повышение надежности системы электроснабжения нагрузок в распределительных сетях 6(10)-0,4 кВ.

Технический результат, достигаемый в процессе решения поставленной задачи, заключается в:

- снижении токов переходных процессов при включении и отключении нагрузки за счет использования полупроводниковых модулей на IGBT-транзисторах и их отключения в момент равенства нулю тока в отходящих кабелях нагрузок и включения в момент равенства нулю тока на шинах трансформатора понижающей трансформаторной подстанции;

- устранении междуфазного короткого замыкания, введением сигнала блокировки замыкания полупроводниковых ключей других фаз при включенном ключе какой-либо фазы.

Указанный технический результат достигается способом повышения надежности системы электроснабжения 6(10)-0,4 кВ, содержащей понижающий трансформатор 6(10)/0,4 кВ, трехфазные воздушные линии с нулевым проводом 0,4 кВ, передающие электрическую энергию от понижающего трансформатора к нескольким однофазным нагрузкам, микроконтроллер, управляющий подключением однофазных нагрузок к различным фазам и их отключением от фаз трехфазных воздушных линий 0,4 кВ, сигналы на который поступают с датчиков тока, установленных на шинах низкого напряжения понижающей трансформаторной подстанции и на проводах, соединяющих однофазные нагрузки с трехфазной воздушной линией электропередач 0,4 кВ, заключающийся в снижении токов переходных процессов включения и отключения нагрузки и устранении междуфазного короткого замыкания, при этом, в качестве элемента, подключающего однофазную нагрузку к фазам трехфазной воздушной линии и отключающего однофазную нагрузку от фаз, используются полупроводниковые модули на IGBT-транзисторах, управление коммутационным состоянием которых осуществляется микроконтроллером, причем момент времени для подачи импульса, управляющего состоянием транзисторов с микроконтроллера на полупроводниковый модуль на IGBT-транзисторах, определяется из условия равенства нулю тока на шинах понижающего трансформатора и в отходящих кабелях нагрузок.

Заявленный способ реализуется следующим образом: на чертеже приведена схема включения понижающего трансформатора, между питающей линией 6-10 кВ и удаленными однофазными нагрузками. На чертеже: понижающий трансформатор 1, питающая трехфазная линия 2, удаленные однофазные нагрузки 3, подключенные к трехфазной линии 0,4 кВ с нулевым проводом 4, датчики тока 5 в цепях, соединяющих нагрузки с трехфазной линией 0,4 кВ, приемопередающие устройства 6, посылающие сигнал на приемопередающее устройство 7 микроконтроллера 8, полупроводниковые модули, содержащие IGBT-транзисторы 9, подсоединяющие нагрузку к фазам линии 0,4 кВ, датчики тока 10, установленные на шинах 0,4 кВ трансформатора и подающие сигнал на аналоговые входы микроконтроллера, выключатели 11 с приводами, подсоединяющие все нагрузки к шинам трансформатора.

Необходимость переключения нагрузок с одной фазы на другую определяется данными с датчиков тока 5 и 10. Быстродействие переключения может быть обеспечено полупроводниковыми транзисторными модулями 9. Отключение нагрузки с более нагруженной фазы должно осуществляться в момент равенства нулю тока в кабеле, отходящем на нагрузку. Подключение нагрузки на менее нагруженную фазу должно осуществляться в момент равенства нулю тока в кабеле, отходящем на нагрузку. При фиксировании значения нулевого тока и необходимости переключения нагрузки, микроконтроллер посылает управляющий импульс соответствующему транзисторному модулю.

Происходит это следующим образом: микроконтроллер 8 с помощью приемопередающего устройства 7 посылает управляющий сигнал приемопередающим устройствам 6, управляющим ключами 9, которые сначала отключают нагрузку от более загруженной фазы и затем, через время задержки сигнала, равное периоду изменения тока, подключают ее к менее загруженной фазе. Положение всех ключей и выключателей схемы постоянно отслеживается микроконтроллером. В ситуации неисправности одного из полупроводниковых модулей 9, микроконтроллер подает сигнал блокировки замыкания ключей других фаз при неотключении ключа какой-либо фазы.

Таким образом, достигается:

- снижение токов переходных процессов при включении и отключении нагрузок за счет использования модулей, содержащих IGBT-транзисторы, и осуществления включения и отключения нагрузок фаз в момент равенства нулю тока на шинах понижающего трансформатора и отходящих кабелях нагрузок соответственно;

- устранение междуфазного короткого замыкания за счет блокировки замыкания полупроводниковых ключей других фаз при включенном ключе какой-либо фазы.

Способ повышения надежности системы электроснабжения 6(10)-0,4 кВ, заключающийся в снижении токов переходных процессов включения и отключения нагрузки и устранении междуфазного короткого замыкания в системе электроснабжения 6(10)-0,4 кВ, содержащей понижающий трансформатор 6(10)/0,4 кВ, трехфазные воздушные линии с нулевым проводом 0,4 кВ, передающие электрическую энергию от понижающего трансформатора к нескольким однофазным нагрузкам, микроконтроллер, управляющий подключением однофазных нагрузок к различным фазам и их отключением от фаз трехфазных воздушных линий 0,4 кВ, сигналы на который поступают с датчиков тока, установленных на шинах низкого напряжения понижающей трансформаторной подстанции и на проводах, соединяющих однофазные нагрузки с трехфазной воздушной линией электропередач 0,4 кВ, отличающийся тем, что в качестве элемента, подключающего однофазную нагрузку к фазам трехфазной воздушной линии и отключающего однофазную нагрузку от фаз, используются полупроводниковые модули на IGBT-транзисторах, управление коммутационным состоянием которых осуществляется микроконтроллером, причем момент времени для подачи импульса, управляющего размыканием транзисторов с микроконтроллера на полупроводниковый модуль на IGBT-транзисторах определяется из условия равенства нулю тока на отходящих кабелях нагрузок, а момент времени для подачи импульса, управляющего замыканием транзисторов, определяется из условия равенства нулю тока на шинах понижающего трансформатора.

Влияние качество электроэнергии на надежность электроснабжения

Отклонения ПКЭ от нормируемых значений ухудшают условия эксплуатации электрооборудования энергоснабжающих организаций и потребителей электроэнергии, могут привести к значительным убыткам как в промышленности, так и в бытовом секторе, обуславливают, как уже отмечалось, технологический и электромагнитный ущербы.

От электрических сетей систем электроснабжения общего назначения питаются ЭП различного назначения, рассмотрим промышленные и бытовые ЭП.

Наиболее характерными типами ЭП, широко применяющимися на предприятиях различных отраслей промышленности, являются электродвигатели и установки электрического освещения. Значительное распространение находятэлектротермические установки, а также вентильные преобразователи, служащие для преобразования переменного тока в постоянный. Постоянный ток на промышленных предприятиях применяется для питания двигателей постоянного тока, для электролиза, в гальванических процессах, при некоторых видах сварки и т. д.

Электродвигатели применяются в приводах различных производственных механизмов. В установках, не требующих регулирования частоты вращения в процессе работы, применяются электроприводы переменного тока: асинхронные и синхронные электродвигатели.

Установлена наиболее экономичная область применения асинхронных и синхронных электродвигателей в зависимости от напряжения. При напряжении до 1 кВ и мощности до 100 кВт экономичнее применять асинхронные двигатели, а свыше 100 кВт - синхронные, при напряжении до 6 кВ и мощности до 300 кВт - асинхронные двигатели, а выше 300 кВт - синхронные, при напряжении 10 кВ и мощности до 400 кВт - асинхронные двигатели, выше 400 кВт – синхронные.

Большое распространение асинхронных двигателей обусловлено их простотой в исполнении и эксплуатации и относительно небольшой стоимостью.

Синхронные двигатели имеют ряд преимуществ по сравнению с асинхронными двигателями: обычно используются в качестве источников реактивной мощности, их вращающий момент меньше зависит от напряжения на зажимах, во многих случаях они имеют более высокий КПД. В то же время синхронные двигатели являются более дорогими и сложными в изготовлении и эксплуатации.

Установки электрического освещения с лампами накаливания, люминесцентными, дуговыми, ртутными, натриевыми, ксеноновыми применяются на всех предприятиях для внутреннего и наружного освещения, для нужд городского освещения и т.д.

Электросварочные установки переменного тока дуговой и контактной сварки представляют собой однофазную неравномерную и несинусоидальную нагрузку с низким коэффициентом мощности: 0,3 для дуговой сварки и 0,7 для контактной. Сварочные трансформаторы и аппараты малой мощности подключаются к сети 380/220 В, более мощные – к сети 6 – 10 кВ .

Вентильные преобразователи в силу специфики их регулирования являются потребителями реактивной мощности (коэффициент мощности вентильных преобразователей прокатных станов колеблется от 0,3 до 0,8), что вызывает значительные отклонения напряжения в питающей сети; коэффициент несинусоидальности при работе тиристорных преобразователей прокатных станов может достигать значения более 30 % на стороне 10 кВ питающего их напряжения, на симметрию напряжения в силу симметричности их нагрузок вентильные преобразователи не влияют .

Электросварочные установки могут являться причиной нарушения нормальных условий работы для других ЭП. В частности, сварочные агрегаты, мощность которых в настоящее время достигает 1500 кВт в единице, вызывают значительно большие колебания напряжения в электрических сетях, чем, например, пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Кроме того, эти колебания напряжения происходят длительно и с широким диапазоном частот, в том числе и в самом неприятном для установок электрического освещения диапазоне (порядка 10 Гц).

Электротермические установки в зависимости от метода нагрева делятся на группы: дуговые печи, печи сопротивления прямого и косвенного действия, электронные плавильные печи, вакуумные, шлакового переплава, индукционные печи. Данная группа ЭП также оказывает неблагоприятное влияние на питающую сеть, например, дуговые печи, которые могут иметь мощность до 10 МВт, в настоящее время сооружаются как однофазные. Это приводит к нарушению симметрии токов и напряжений (последнее происходит в связи с падениями напряжения на сопротивлениях сети от токов разных последовательностей). Кроме того, дуговые печи, как и вентильные установки, являются нелинейными ЭП с малой инерционностью. Поэтому они приводят к несинусоидальности токов, а, следовательно, и напряжений.

Современная электрическая нагрузка квартиры (коттеджа) характеризуется широким спектром бытовых ЭП, которые по их назначению и влиянию на электрическую сеть можно разделить на следующие группы: пассивные потребители активной мощности (лампы накаливания, нагревательные элементы утюгов, плит, обогревателей); ЭП с асинхронными двигателями, работающими в трехфазном режиме (привод лифтов, насосов - в системе водоснабжения и отопления и др.); ЭП с асинхронными двигателями, работающими в однофазном режиме (привод компрессоров холодильников, стиральных машин и др.); ЭП с коллекторными двигателями (привод пылесосов, электродрелей и др.); сварочные агрегаты переменного и постоянного тока (для ремонтных работ в мастерской и др.); выпрямительные устройства(для зарядки аккумуляторов и др.); радиоэлектронная аппаратура (телевизоры, компьютерная техника и др.);высокочастотные установки (печи СВЧ и др.); лампы люминесцентного освещения.

Воздействие каждого отдельно взятого бытового ЭП незначительно, совокупность же ЭП, подключаемых к шинам 0,4 кВ трансформаторной подстанции, оказывает существенное влияние на питающую сеть.

4.2 Влияние отклонений напряжения

Отклонения напряжения оказывают значительное влияние на работу асинхронных двигателей (АД), являющихся наиболее распространенными приемниками электроэнергии в промышленности.

Рис.4.1. Механическая характеристика двигателя при номинальном (М1) и пониженном (М2) напряжениях.

При изменении напряжения изменяется механическая характеристика АД – зависимость его вращающего момента М от скольжения s или частоты вращения (рис.4.1). С достаточной точностью можно считать, что вращающий момент двигателя пропорционален квадрату напряжения на его выводах. При снижении напряжения уменьшается вращающий момент и частота вращения ротора двигателя, так как увеличивается его скольжение. Снижение частоты вращения зависит также от закона изменения момента сопротивления Mc (на рис 4.1 Mc принят постоянным) и от загрузки двигателя. Зависимость частоты вращения ротора двигателя от напряжения можно выразить:

где   – синхронная частота вращения;   – коэффициент загрузки двигателя;  , – номинальные значения напряжения и скольжения соответственно.

Из формулы (4.1) видно, что при малых загрузках двигателя частота вращения ротора будет больше номинальной частоты вращения (при номинальной загрузке двигателя). В таких случаях понижения напряжения не приводят к уменьшению производительности технологического оборудования, так как снижения частоты вращения двигателей ниже номинальной не происходит.

Для двигателей, работающих с полной нагрузкой, понижение напряжения приводит к уменьшению частоты вращения. Если производительность механизмов зависит от частоты вращения двигателя, то на выводах таких двигателей рекомендуется поддерживать напряжение не ниже номинального. При значительном снижении напряжения на выводах двигателей, работающих с полной нагрузкой, момент сопротивления механизма может превысить вращающий момент, что приводит к “опрокидыванию” двигателя, т.е. к его остановке. Во избежание повреждений двигатель необходимо отключить от сети.

Снижение напряжения ухудшает и условия пуска двигателя, так как при этом уменьшается его пусковой момент.

Практический интерес представляет зависимость потребляемой двигателем активной и реактивной мощности от напряжения на его выводах.

В случае снижения напряжения на зажимах двигателя реактивная мощность намагничивания уменьшается (на 2 – 3 % при снижении напряжения на 1 %), при той же потребляемой мощности увеличивается ток двигателя, что вызывает перегрев изоляции.

Если двигатель длительно работает при пониженном напряжении, то из-за ускоренного износа изоляции срок службы двигателя уменьшается. Приближенно срок службы изоляции Т можно определить по формуле:

(4.2)

где  – срок службы изоляции двигателя при номинальном напряжении и номинальной нагрузке;

R – коэффициент, зависящий от значения и знака отклонения напряжения, а также от коэффициента загрузки двигателя и равный:

, при - 0,2 <  <0; (4.3)

 при 0,2 ≥  > 0; (4.4) .

Поэтому с точки зрения нагрева двигателя более опасны в рассматриваемых пределах отрицательные отклонения напряжения.

Снижение напряжения приводит также к заметному росту реактивной мощности, теряемой в реактивных сопротивлениях рассеяния линий, трансформаторов и АД.

Повышение напряжения на выводах двигателя приводит к увеличению потребляемой ими реактивной мощности. При этом удельное потребление реактивной мощности растет с уменьшением коэффициента загрузки двигателя. В среднем на каждый процент повышения напряжения потребляемая реактивная мощность увеличивается на 3 % и более (в основном за счет увеличения тока холостого хода двигателя), что в свою очередь приводит к увеличению потерь активной мощности в элементах электрической сети.

Лампы накаливания характеризуются номинальными параметрами: потребляемой мощностью  , световым потоком  , световой отдачей  (равной отношению излучаемого лампой светового потока к ее мощности) и средним номинальным сроком службы   .Эти показатели в значительной мере зависят от напряжения на выводах ламп накаливания. При отклонениях напряжения на 10% эти характеристики приближенно можно описать следующими эмпирическими формулами:

(4.5)

(4.6)

(4.7)

(4.8)

Рис.4.2. Зависимости характеристик ламп накаливания от напряжения: 1 – потребляемая мощность, 2 – световой поток, 3 – световая отдача, 4 – срок службы.

Из кривых на рис.4.2. видно, что со снижением напряжения наиболее заметно падает световой поток. При повышении напряжения сверх номинального увеличивается световой поток F, мощность лампы P и световая отдача h , но резко снижается срок службы ламп Т и в результате они быстро перегорают. При этом имеет место и перерасход электроэнергии.

Изменения напряжения приводят к соответствующим изменениям светового потока и освещенности, что, в конечном итоге, оказывает влияние на производительность труда и утомляемость человека.

Люминесцентные лампы менее чувствительны к отклонениям напряжения. При повышении напряжения потребляемая мощность и световой поток увеличиваются, а при снижении – уменьшаются, но не в такой степени как у ламп накаливания. При пониженном напряжении условия зажигания люминесцентных ламп ухудшаются, поэтому срок их службы, определяемый распылением оксидного покрытия электродов, сокращается как при отрицательных, так и при положительных отклонениях напряжения.

При отклонениях напряжения на 10% срок службы люминесцентных ламп в среднем снижается на 20 – 25%. Существенным недостатком люминесцентных ламп является потребление ими реактивной мощности, которая растет с увеличением подводимого к ним напряжения.

Отклонения напряжения отрицательно влияют на качество работы и срок службы бытовой электронной техники(радиоприемники, телевизоры, телефонно-телеграфная связь, компьютерная техника).

Вентильные преобразователи обычно имеют систему автоматического регулирования постоянного тока путем фазового управления. При повышении напряжения в сети угол регулирования автоматически увеличивается, а при понижении напряжения уменьшается. Повышение напряжения на 1 % приводит к увеличению потребления реактивной мощности преобразователем примерно на 1-1,4%, что приводит к ухудшению коэффициента мощности. В то же время другие показатели вентильных преобразователей с повышением напряжения улучшаются, и поэтому выгодно повышать напряжение на их выводах в пределах допустимых значений.

Электрические печи чувствительны к отклонениям напряжения. Понижение напряжения электродуговых печей, например, на 7 % приводит к удлинению процесса плавки стали в 1,5 раза. Повышение напряжения выше 5% приводит к перерасходу электроэнергии.

Отклонения напряжения отрицательно влияют на работу электросварочных машин: например, для машин точечной сварки при изменении напряжения на 15% получается 100 % - ный брак продукции.